基于theed纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于TfffiED纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法，通过静电纺丝装置喷射聚合物溶液，结合直线高速移动台进给实现密度可控有向的THEED聚合物微纳纤维阵列纺丝；之后，通过磁控滅射手段在微纳纤维阵列上修饰镍铬合金薄膜电阻层，实现基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备。本发明制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料方面仅用到少量—的聚合物溶液与靶材，材料成本低；通过调节直线高速移动台进给速度，可以自由控制有向微纳纤维阵列密度；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制有向微纳纤维阵列的直径；通过调节滅射参数，可以实现薄膜电阻层厚度的调节。
【专利说明】基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及二氧化碳传感器领域，尤其涉及一种基于THEED (Ν，Ν，Ν'，Ν' -四羟乙 基乙二胺）纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 温室效应已经成为影响人类社会发展的重大环境问题，我国是二氧化碳排放量最 大的国家之一，为应对全球气候变化，国家中长期科技发展纲要指出："加强全球环境公约 履约对策与气候变化科学不确定性及其影响研究，开发全球环境变化监测和温室气体减排 技术，提升应对环境变化及履约能力"。并在2009年哥本哈根世界气候大会上向世界郑重 承诺："到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%"。
[0003] 我国现有能源结构以煤为主，降低排放仍然存在困难，如何快速检测环境中二氧 化碳的含量，研究二氧化碳的排放规律，进而为二氧化碳的减排提供总体优化策略，已经成 为当务之急。通过最近几十年的研究，已经有许多种气体检测技术得以工业化，其中应用最 为广泛的方法是金属氧化物检测法和光谱分析法。然而目前的检测技术均存在一定问题， 例如半导体金属氧化物和固体电解质传感器的选择性差、精度低，而红外光谱分析技术抗 干扰性差、成本高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于THEED纤维阵列的二氧化 碳传感器及其制备方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于THEED纤维阵列的二氧化 碳传感器，包括PCB板基底，在PCB板基底上设有至少一对等距排布的电极；正对的两个电 极之间的PCB板基底镂空，间距为5-10mm ;PCB板基底和电极构成传感单元PCB板；每对 电极之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维；所述二氧化碳敏感微纳纤维由 THEED聚合物微纳纤维和附着在THEED聚合物微纳纤维表面的镍铬合金薄膜电阻层构成。
[0006] 一种上述基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备方法，包括以下步骤： (1) 室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅拌混合得到质量分数20%-30%的 THEED溶液； (2) 将传感单元PCB板安装在直线高速移动台上，并将电极接地；支架置于直线高速移 动台正上方，将静电纺丝针头安装于支架上，调节静电纺丝针头的高度与位置使其前端垂 直正对传感单元PCB板中心线，静电纺丝针头后端通过溶液输送导管与微量注射泵相连， 静电纺丝针头导电部分与高压源连接；通过微量注射泵以6-10ml/h的速度进给THEED溶 液，调节高压源到10-12KV，操作直线高速移动台以5-lOmm/s速度横向匀速运动，待行程结 束即可得到有向密度可控的THEED聚合物微纳纤维阵列； (3) 将传感单元PCB板送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板表面覆盖掩模板，通 过掩模板遮挡电极与PCB板基底，对THEED聚合物微纳纤维阵列进行溅射得到单面厚度为 50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层；冷却干燥，最终得到基于THEED聚合物微纳纤维阵列的二 氧化碳传感器。
[0007] 本发明的有益效果是：本发明采用静电纺丝与磁控溅射方法，结合直线高速移动 台进给实现有向氢敏微纳纤维阵列的制备；整个制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料 方面仅用到少量的聚合物溶液与靶材，材料成本低；通过调节直线高速移动台进给速度，可 以自由控制有向微纳纤维阵列密度；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的 控制有向微纳纤维阵列的直径；通过调节溅射参数，可以实现薄膜电阻层厚度的调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是静电纺丝制备THEED聚合物微纳纤维阵列的装置示意图； 图2是传感单元PCB板结构示意图； 图3是直线进给电极对静电纺丝法原理图； 图4是基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器结构示意图； 图5是二氧化碳敏感微纳纤维阵列的结构示意图； 图中：传感单元PCB板1、直线高速移动台2、支架3、高压源4、静电纺丝针头5、溶液输 送导管6、微量注射泵7、电极8、PCB板基底9、THEED聚合物微纳纤维10、二氧化碳敏感微 纳纤维11、镍铬合金薄膜电阻层12。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0010] 如图1所示，THEED聚合物微纳纤维阵列静电纺丝制备平台由传感单元PCB板1、 直线高速移动台2、支架3、高压源4、静电纺丝针头5、溶液输送导管6和微量注射泵7组 成。传感单元PCB板1安装在直线高速移动台2上，并将电极8接地；支架3置于直线高 速移动台2正上方，将静电纺丝针头5安装于支架3上，调节静电纺丝针头5的高度与位置 使其前端垂直正对传感单元PCB板1中心线，静电纺丝针头5后端通过溶液输送导管6与 微量注射泵7相连，静电纺丝针头5导电部分与高压源4连接；最后，通过微量注射泵7以 6-10ml/h的速度进给THEED溶液，调节高压源4到10-12KV，计算机操作直线高速移动台2 以5-lOmm/s速度横向匀速运动，待行程结束即可得到有向密度可控的THEED聚合物微纳纤 维10阵列。
[0011] 所述THEED溶液的制备过程如下：室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅 拌混合得到质量分数20%-30%的THEED溶液。
[0012] 如图2所示，传感单元PCB板1由PCB板基底9和电极8构成，在PCB板基底9上 设有至少一对等距排布的电极8,优选为4对；正对的两个电极8之间的PCB板基底9镂空， 间距为5-10mm。
[0013] 如图3所示，直线进给电极对静电纺丝法原理如下：纺丝时高压源4提供10KV电 势，产生电场由静电纺丝针头5指向接地的电极8对表面，THEED溶液在静电纺丝针头5处 带上电荷沿电场线向电极8对的某一侧移动；在溶液接触电极8瞬间，由于溶液所带电荷影 响，与溶液接触的电极8瞬间带电，电场发生偏转，导致溶液向另一侧移动；同时，直线高速 移动台2带动电极8对延垂直电场方向运动；在溶液离开静电纺丝针头5后，溶剂在空中不 断挥发导致溶质固化，在电极8对间形成有向的THEED聚合物微纳纤维10阵列。
[0014] 纺丝结束后将传感单元PCB板1送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板1表 面覆盖掩模板，掩模板遮挡电极9与PCB板基底9,对THEED聚合物微纳纤维10阵列部分进 行溅射得到单面厚度为50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层12 ;冷却干燥，实现基于THEED纤 维阵列的二氧化碳传感器的制备。
[0015] 最终得到的基于THEED聚合物微纳纤维阵列的二氧化碳传感器如图4所示。每对 电极8之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维11，二氧化碳敏感微纳纤维11 由THEED聚合物微纳纤维10和附着在THEED聚合物微纳纤维10表面的镍铬合金薄膜电阻 层12构成，其中THEED聚合物微纳纤维10作为主要敏感材料，镍铬合金薄膜电阻层12作 为信号转换介质，与二氧化碳接触时，THEED聚合物微纳纤维10的体积发生变化，导致镍铬 合金薄膜电阻层12电阻值发生变化，通过对电阻值的测量实现二氧化碳浓度的检测。
【权利要求】
1. 一种基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器，其特征在于，包括PCB板基底（9)，在 PCB板基底（9)上设有至少一对等距排布的电极（8);正对的两个电极（8)之间的PCB板基 底（9)镂空，间距为5-10mm ;PCB板基底（9)和电极（8)构成传感单元PCB板（1);每对电极 (8)之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维（11);所述二氧化碳敏感微纳纤 维（11)由THEED聚合物微纳纤维（10)和附着在THEED聚合物微纳纤维（10)表面的镍铬合 金薄膜电阻层（12)构成。
2. -种权利要求1所述的基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1)室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅拌混合得到质量分数20%-30%的 THEED溶液； (2 )将传感单元PCB板（1)安装在直线高速移动台（2 )上，并将电极（8 )接地；支架（3 ) 置于直线高速移动台（2)正上方，将静电纺丝针头（5)安装于支架（3)上，调节静电纺丝针 头（5)的高度与位置使其前端垂直正对传感单元PCB板（1)中心线，静电纺丝针头（5)后端 通过溶液输送导管（6)与微量注射泵（7)相连，静电纺丝针头（5)导电部分与高压源（4)连 接；通过微量注射泵（7)以6-10ml/h的速度进给THEED溶液，调节高压源（4)到10-12KV， 操作直线高速移动台（2)以5-lOmm/s速度横向匀速运动，待行程结束即可得到有向密度可 控的THEED聚合物微纳纤维（10)阵列； (3 )将传感单元PCB板（1)送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板（1)表面覆盖掩 模板，通过掩模板遮挡电极（9)与PCB板基底（9)，对THEED聚合物微纳纤维（10)阵列进行 溅射得到单面厚度为50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层（12);冷却干燥，最终得到基于THEED 聚合物微纳纤维阵列的二氧化碳传感器。
【文档编号】G01N27/04GK104215668SQ201410422521
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】陈然, 阮晓东, 刘伟庭, 傅新 申请人:浙江大学